汽车电动转向器动力学建模与控制仿真分析【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 汽车电动转向器是一种新型的汽车转向助力系统。 文章先对 统原理及结构进行说明，介绍了三种 型助力曲线，建立了机械转向系统数学模型、 统数学模型，文 中 提出 了 统控制目标，说明了 统的 制策略 ，介绍 了电动助力转向 系统 中的三种控制模式： 助力控制模式 ，回正控制模式，阻尼控制模式，文章重点研究助力控制。 并建立了 机械转向系统、 统和 基于制 的 系统 三种 数学模型， 然后 应用 块 进行 运动 仿真， 通过调整参数 和 分析参数 ，来研究系统稳定性随参数 变化的影响。仿真结果表明，所设计的 能对转向系统 模型进 提供助力控制 ， 同时能 使系统满足很好的 动态性能 。 关键词 ： 电动转向器；助力控制； 真 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is a on PS of PS is in of PS of is in PS PS of of on of ID PS on of on of ID of is 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 V 目 录 摘 要 . I . 录 . V 1 绪论 . 1 课题的研究背景和意义 . 1 内外的发展概况 . 1 课题应达到的要求 . 2 2 电动转向系统的动力学模型 . 3 动转向系统的结构和工作原理 . 3 型助力曲线 . 5 力学的模型 . 7 械转向系统数学模型 . 7 统的模型 . 8 定性与转向助力增益分析 . 10 向助力增益的确定 . 10 定性 与转向助力增益关系 . 11 3 统控制分析 . 16 统控制的目标 . 16 统的控制策略 . 16 统的 控制模式 . 17 统的补偿控制 . 18 偿控制原理 . 18 偿控制的作用 . 18 4 统的仿真 与分析 . 19 真平台的介绍 . 19 统仿真参数取值 . 19 械转向系统仿真与研究 . 20 械转向系统的 型 . 20 车机械转向系统在阶跃输入时不同参数下的仿真研究 . 22 同参数对系统性能影响的仿真分析 . 28 向系统仿真与 研究 . 28 统的 型 . 28 统加入 制的 型 . 30 统加入 制的仿真与分析 . 32 同系统的比较仿真与分析 . 36 5 结论与展望 . 40 要结论 . 40 足之处及未 来展望 . 40 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 谢 . 41 参考文献 . 41 附 录 . 42 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪论 课题的研究 背景 和 意义 目前汽车已经走入寻常百姓家中，人们对汽车需求逐渐增大。 随着科学技术的不断发展，对汽车操纵性能的要求也日益提高。为了能使 车辆停车或低速时，能够使方向盘转动轻松操作，又能够使汽车在高速行驶平稳，随着转向系统不断地向前发展，从机械式转向系统，到机械液压动力转向系统，再到电控液压助力转向系统，直至现代的节能，操纵性能更好的 段。现代汽车技术追求节能 、 舒适和安全等三大目标。节能与环境保护密切相关联，是当今全球性最热门和最受关注的话题之一。 电动转向器是一种新型的汽车转向系统 ,统能够根据车辆的状况，提高操纵性能、回正稳定性能、抗干扰性能，这些控制是在并不需要改变硬件而通过软件来实现。传统的液压转向系统只具有单一的特性曲线 ,并不具备提高上述性能的能力。虽然在液压动力转向系统中装有电子伺服系统 ,构成了电控液压助力转向系统 ,虽然能够获得可变操纵力特性 ,但响应性能和传动效率等原有系统的固有缺陷并没有得到很好的改善。 电动助力转向系统的优势体现在下面几个方面： (1)采用电能做能源 ,利于环保。 品的重复利用率相当高。传统的液压转向系统的回收利用率只有 85%左右，而 的 95%可以再回收利用 ,另外 可以降低了产生的噪声 1。 (2)与液压系统相比 ,降低了燃油消耗。与传统的液压系统相比，在不转向情况下和 在转向情况下，燃油的消耗也得到不同种程度的降低。 (3)改善了车辆的回正性能。通过试验可以容易得到从最低车速到最高车速的一系列的回正性能曲线 ,转矩性能 能使电动转向系统转向能力得到显著的提高 ,同时提供了与车辆动态性能相适应与转向回正性能 ,而传统的液压助力转向系统没有此功能。 (4)增强了转向跟随性能 ,减小了转向迟滞效应。在 ,助力机构和电机直接相连 ,其能量直接可用于车轮的转向。 系统利用惯性减振器的作用 ,使车轮的反转和转向前轮摆振很大的程度减小，从而使汽车 抗扰动能力大大增强。 内外的发展概况 由于 件少 ，所以 方便 组装 ， 并 特别适合于使用在小排量发动机的微型车。一些发达国家，电动助力转向器比较成熟。 1988 年 2 月，日本在铃木 汽车配备了 后应用到奥拓车。在此之后， 日本得到迅速发展。日本 司，德国 司，也已经开发自己的 田在爱克 车配备了 场反应效果良好。 车，三菱汽车 配备了 统 2。欧洲和美国研发 入了巨大的财力和人力。德尔福汽车成功为大众波罗 、欧宝和菲亚特发了 1998 年以来 ， 开发的 初应用于乘用车， 但以后 用在福特嘉年华和 汽车，两大汽车公司 德尔福 产能力已达 40 万台，并在全球汽车零部件市场销售 3。在 2000 年，德国梅赛德斯奔驰和西门子汽车两家公司共同投资 6500 万英镑 4。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 目前， 被应用在汽车上，其优异的性能已得到公认。随着直流电动机性能的不断改进 ,力能力将进一步地提高，并进一步扩大其应用范围，并将可能在动力转向领域中占据主要地位。根据某公司的预测 ,2020 年全世界所生产的轿车中将有 50%装有 其是混合动力汽车 (低排放汽车 (电动汽车 ( 燃料电池汽车 (大“ ，将能够构成汽车未来发展的主题，带来 明的 应用前景 5。 术在国外日趋成熟。为了以进一步扩大市场份额，日本 本 国万都、美国 国 相继在中国成立了 产企业，这些企业占据并垄断着国产车型 场。 在中国， 究起步较晚，国内汽车电子行业的整体发展落后，再 加上国外的技术垄断和封锁，可以实现大规 模生产的国内生产商少，导致装配率较低。数据显示， 2009 年，国内汽车产销量 1300 万 以上 ， 但 有 14%装配率，外商独资企业和合资企业占约 81%的 场，而当地企业只 占 有约 9%的市场份额。自主品牌奇瑞威，夏利 吉利豪情等高端车 装备 他品牌很少装配的 荣威系列和奇瑞 主汽车产品，高价格， 但销量不大， 合资车标准 型主要有：一汽丰田，一汽大众迈腾，一汽丰田皇冠和锐志，一汽丰田 海大众 风本田 汽丰田汉兰达，上海排量 大众 些高端 汽车 的市场销售，价格均超过 15 万 6。 国内部分院校，科研机构和企业的 术的研究和开发已初见成效。中国太平洋世纪汽车系统有限公司，通过了收购通用汽车的耐世特汽车转向系统业务，有可能获得 7。 课题应 达到的要求 本文首先对 工作原理及国内外现状作了分析，分别建立了机械转向系统数学模型、 力学的数学模型 ， 同时粗略介绍电动转向系统中的三种控制模式：助力控制模式，回正控制模式，阻尼控制模式。通过数学模型和 制理论进行助力控 制模式真分析 。 (1)论述了 统的特点、优点、主要类型以及研究现状和发展前景。 (2)介绍 了 统的组成 和 工作原理。 (3)应用 件分别建立机械转向系统、 统、基于 制的模型，进行 真，最后给出 制策略。 (4)给出本文研究的结论、不足之处和展望。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 2 电动转向 系统的 动力学 模型 动转向系统的结构和工作原理 图 典型的转向轴式电动助力转向系统结构简图，电动助力系统是根据 机械转向系统的基础上进行改进的。 图 统结构简图 8 该电动助力转向系统主要由四部分构成，分别为机械转向装置 、 转向助力机构 、 扭矩传感器和 制装置。 1、 助力电机 助力电机的主要功能是根据控制单元的指令输出合适的助力转矩，是电动转向器的动力源，采用无刷永磁式直流电动机。 表 2本课题所采用电机的参数。 采用电机的参数表 E P 类型 直流电机 最大电流 35A 额定电压 12V 额定转速 1210定扭矩 应系数 150H 电枢绕组电阻 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 2、 离合器 离合器使用电磁式离合器，它案装在减速机构一侧。根据车速的快慢来控制离合器的控制单元，其作用是确保 能在预先设定的车速范围内工作。如果停车或车速低于设定值，接合离合器，电机提供助力。当超过设定车速时，切断离合器，电机将停止工作，转 向系统转为手动转向。另外，如果电机发生故障时，离合器也将自动分离。 3、 扭矩传感器 扭矩传感器由钢球 、 扭杆 、 滑块 、 电位器和环等构成。它的工作原理为：将扭杆检测的方向盘扭矩的方向和大小，经钢球 、 滑块 、 环转换为机械位移信号，再经电位器转换为电压信号，输入控制单元。 图 扭矩传感器特性曲线，横坐标为方向盘的扭矩，纵坐标为扭矩传感器输出电压值。由图上可以看到： 扭矩传感器有两个输入端，分为主信号 ( )和副信 号 ( )。这两个信号都进入控制单元，并作为输入信号。方向盘不转动，即在中间位置，两个信号电压都为 向盘右转时， 电压大于 转扭矩与 电压成比例的增大，一般情况下， 方向盘最大输入扭矩为 时， 电压为 5V。方向盘左转时， 电压小于 向盘左转随受到的扭矩增大， 电压成比例的减小。 和 的原理相似，只是符号相反。 4、 控制单元 控制单元的主要功能是根据车速信号和扭矩传感器， 当 逻辑分析和计算后，发出指 令，来 控制 离合器 和 电机 的动作 ， 控制器 基本组成如图 示。 图 矩传感器特性曲线 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 图 组成结构 10 5、 减速机构 减速机构采用蜗轮蜗杆传动方式，通过电机与电磁离合器连接，能起到增大助力扭矩和减速的作用，它的传动比决定了放大直流电动机输出扭矩的倍数。为了提高使用寿命和降低噪声，减速器蜗轮可采用树脂材料制造。 图 型助力曲线 助力特性具有多种曲线形式 ,图 三种典型 力特性曲线 13。 1、直线型助力特性 图 直线型助力特性曲线。其特点是在助力变化区，助力与方向盘扭矩成线性关系。 直线型助力特性是在助力区域范围内，方向盘力矩和助力力矩成线性关系。 该助力特性曲线可用以下函数表示为： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 dm a a a )(00 (式中 ,I 为电动机的目标电流； 方向盘输入扭矩； 电动机的最大工作电流；K(V)为助力特性曲线的斜率； 0汽车转向系统开始助力时的方向盘输入扭矩； 2、折线型助力特性 图 示为折线型助力特性曲线。其特 点是在助力变化区 ,助力扭矩与方向盘扭矩成分段函数的关系 。 该助力特性可用函数以下表示为： d m a a xd m a ()()()()(00 (式（ , )(1 )(2 别为助力特性曲线的斜率； 1助力特性曲线斜率由 )(1 (2 的方向盘输入扭矩。 3、曲线型助力特性 图 典型曲线型助力特性。它的特点是在助力变化区 ,助力与方向盘输入扭矩成非线形关系， 曲线型助力特性是在助力变化区域范围内，助力转矩与转向盘转矩成非线性 关系。 该助力特性曲线可用以下函数表示为： dm a a a T)(00 (式中 , )(助力特性曲线的斜率； )( 通过分析三种不同的助力特性曲线可知 ,直线型助力特性最简单 ,控制系统设计方便 ,并且在运用中能够调整；曲线型助力特性复杂 ,不易便 调整；折线型助力特性则介与两者之间。从设计、调整和使用的角度看 ,采用直线型助力特性可以很好地满足实际要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 力学的模型 械转向系统数学模型 首先对汽车机械转向系统的结构和动力学性能进行分析，通常 机械转向系统采用齿轮齿条式机械转向系统，模型如图 示。 图 械转向系统模型 可得到如下运动方程： )( ()( (上式为所建立的 机械转向系统的动力学方程，其参数详见表 2 表 2械转向系统采用 的 参数 变量 含义 变量 含义 齿轮齿条的位移 转向柱的刚度 m 转向横拉杆的质量 主动小齿轮半径 转向横拉杆的阻尼系数 h 方向盘转角 系统非线性特性 转向柱的转动惯量 系统非线性特性 转向柱的阻尼系数 系统负载系数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 统的模型 统是一个强耦合，非线性多变量 系统， 建立如图 示的 统模型。 图 统模型 为了建立 统动力学方程， 将图 示的简化 型分割成 三 个组件 ， 这三个组件的 主要 运动变量分别是 ： 方向盘转角h、齿条平移位移 电机转角 m 。 (1)方向盘转向轴 组 件运动方程 如图 示，为该部件受力分析 ，根据理论力学相关公式， 根据受力分析可以的 得到运动方程为： 图 向盘转向轴部件 )( (2) 齿轮 齿条运动方程 如图 示，为该部件受力分析。 列如下 运动方程为： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 图 条部件 )()( (3) 电机运动方程 如图 示，为该部件受力分析。根据受力分析可以的得到运动方程为： 图 机组 件 (电动机的等效电路如图 示 15： 图 动机等效电路 (买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 将式 (2 (2式变换得如下式： )( ()()( (将 (2入 (2到下式： )( (助力扭矩方程： )( (扭矩传感器测量值： )( (以上式为所建立的 力学方程 ， 其参数详见表 2 2数表 变量 含义 变量 含义 m 齿条齿轮的质量 转向柱的转动惯量 齿轮齿条的阻尼系数 电机输出扭矩 转向柱的阻尼系数 电机阻力扭矩 R 电机电枢电阻 m 助力电机转动角度 L 电机电枢电感 助力电机转动惯量 电机电枢电流 电机扭矩常数 助力电机的阻尼系数 电机的反电动势常数 转向横拉杆作用力 非线性特性 非线性特性 非线性特性 G 助力电机传动比 系统负载系数 定性与转向助力增益分析 向助力增益的确定 根据图 模型动力学方程可知，转矩传感器测得 电动机提供的 以用下面两个等式表示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 )( ()( (转向助力增益取值的大小与汽车的车速大小有关。另外，其取值与汽车的 类型有关。不同的车速下的助力值也不相同。查相关资料，可得到如下式： )0(m a (可以表示如下： )/1400(1.0 (根据上式可计算在 )h/( 大概的助力增益系数，具体数据见表 2 表 2力增益系数 车速 (km/h) 助力增益系数 010 020 030 040 定性与转向助力增益关系 力转矩由图 力特性 曲线来 确定，得到如下的运动方程： )( (将式 (入式 (到下式： )( (将式 (行拉式变换得到如下式： )(1)()(222 (根据式 (得到 如下 传递函 数为： 22211)()()(买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 传递函数 )(1 映方向盘转角 h 和齿轮齿条位移 间的动态关系。 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 800 . 0 0 20 . 0 0 40 . 0 0 60 . 0 0 80 . 0 10 . 0 1 20 . 0 1 4时间 t/mK a = 0图 向盘转角 单位角阶跃输入响应 () 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 100 . 0 0 20 . 0 0 40 . 0 0 60 . 0 0 80 . 0 10 . 0 1 20 . 0 1 4时间 t/mK a = 1图 向盘转角单位角阶跃输入响应 () 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 400 . 0 0 50 . 0 10 . 0 1 5时间 t/mK a = 2图 向盘转角单位角阶跃输入响应 () 图 图 别表示 01条位移对方向盘转角单位角阶跃输入的时域响应。 通过对 图 2 2图 2较，轮齿条位移超调量越大，调整时间变长，稳定性逐渐变差，系统仍然可以保持稳定，且稳态值不变。 助力电机对系统也存在影响，由 统模型可知，所以实际上的助力转矩为下式： )( (将式 (入式 (到下式： rs ( 2 (根据助力特性曲线确定助力电机的输出转矩 ，得到 下式： )()( (将式 (入式 ( ，得到下式： )( (对式 (式 (行拉式变换得到下面两式： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 )()()()( 22 ()()()()( 2 (消 去 )(得到 如下 传递函数为： 23422 )(1)()()(其中：22 22 2)1( 传递函数 )(2 反映 助力电机影响时，系统的 动态关系。 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 200 . 511 . 522 . 533 . 54x 1 0t/mK a = 0图 向盘转角单位角阶跃输入响应 () 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2012345678x 1 0t/mK a = 1图 向盘转角单位角阶跃输入响应 () 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 200 . 0 0 20 . 0 0 40 . 0 0 60 . 0 0 80 . 0 10 . 0 1 2时间 t/mK a = 2图 向盘转角单位角阶跃输入响应 () 图 图 别表示 01齿轮齿条的 位移对方向盘转角单位角阶跃输入的时域响应。通过对图 图 较，可以看出：随着断变 大，调节时间 将 逐渐 变 长， 系统 的超调量逐渐增大，但 是 系统仍然 会保持稳定， 最终 稳态值不变， 但是会增加系统的不稳定性 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 3 统 控制 分析 统控制 的 目标 控制系统 有如下具体 目标： (1)合适的助力 。 (2)抑制 有害 振动 。 (3)响应速度 要快。 (4)良好的路感 。 (5)尽量用最少的系统零部件 。 统的控制策略 我们考虑用 制策略 ，因为 主要适用于车速和方向盘转角不大的情况。 在 工程应用 中， 制器是一种负反馈闭环控制， 制器通常与被控对象串联连接，作串联校正环节 16。 制器结构改变灵活，比例与微分、积分的不同组合可以分别构成 制器。 常 规 制系统原理框图如图 示 ： 图 制系统图 制器的数学描述 17： )()()()( (或写成传递函数形式： )( )()(式中： 比例系数、 积分系数、 微分系数 。 使用 制器有以下好处： 首先， 用范围广。 其次， 数较易整定。 第三， 制器 可以 在 应用 中不断的 调整参数并改进 。 采用 制， 对 统进行闭环控制， 由于 算法中没有考虑采用积分环节，这是因为 统是个有差系统，需要保持系统的静 态误 差， 所以 控制器中不能有积分环节。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 统 制结构如图 示，给定方向盘扭矩矩传感器则有相应的输出扭矩 制器根据 扭 矩传感器输出的扭矩来确定助力电机电流的大小，并通过 冲宽度调制 )方式驱动电动机助力。 图 统 制结构图 18 若采用单纯的比例控制方式，则电动机的电压为： (采用 制方式，则电动机电压为： (统的控制模式 制模式主要有三种：助力控制、回正控制和阻尼控制。一般说来， 主要的功能是助力控制， 有时 还需要在 在 加入 回正控制和 阻尼控制。 (1)助力控制 助力控制是电动助力转向系统的 最 基本 的 控制模式，主要功能是在转向过程中，减轻驾驶员对方向盘的操纵力， 并将 电动机通过减速机构将转矩作用在转向轴上的基本控制模式。 (2)回正控制 回正控制 能够 改善 方 向盘的回正性 能 ，更好地配合汽车的动态特性 。当汽车在低速行驶过程中，回正力矩相对较小 ， 当 方 向盘转动后 能够 回到中间位置时， 使电动机的电流 快速 减小，使转向车轮 快速 回正 。 根据当 时 的 方 向盘转角 和 角速度， 并 发出相应的控制信号给电机，使电机提供相应的回正力矩 。 (3)阻尼控制 阻尼控制的主要作用 是 在减小方向盘的抖动 或 消除转向车轮振 动 ，是一种提高 系统 稳定性 能 和转向收敛性 能 的控制模式 ， 阻尼控制模式框图如图 示 ： 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 图 尼控制模式框图 统的补偿控制 偿控制原理 统的基本功能是 提供 助力扭矩 ，但是 统 应该具 备 三种控制模式 ： 助力控制、回正控制和阻尼控制